Средства выделения и освобождения памяти

В языке C++ существуют предусмотренные стандартом C++, а также перешедшие "в наследство" от C средства выделения и освобождения памяти. Кроме того, каждая платформа предоставляет свои средства управления памятью (как правило, стандартные языковые средства как раз к ним и обращаются, но у программиста есть возможность обратиться к ним непосредственно). Проблема этих систем и языков (в том числе C++) состоит в том, что программист сам отвечает за своевременное освобождение блоков памяти после того, как в них отпадает необходимость - для этого тоже есть специальные функции. Если программист забудет освободить блок, впоследствии может возникнуть нехватка памяти - виртуальное адресное пространство процесса "забьется" и свободного места не останется, хотя в то же время в памяти будут присутствовать блоки, которые фактически не используются.

Рассмотрим коротко средства управления памятью.

Оператор new очень удобен - он не требует указания размера блока, который нужно выделить. Размер определяется компилятором автоматически исходя из типа, который указывается после ключевого слова new. Кроме вызова самой функции выделения памяти происходит еще и вызов конструктора объекта, если указан объектный тип. Синтаксис вызова оператора имеет несколько вариантов, рассмотрим наиболее часто употребляемый:

new Type (parameters)

где Type - тип создаваемого объекта, на основе которого компилятор автоматически определит требуемый для него объем памяти;

parameters - необязательный список параметров, который будет передан конструктору объекта. В случае отсутствия списка параметров скобки указывать необязательно.

Функция malloc, доставшаяся языку C++ в наследство от C, требует указания необходимого количества байт и не производит кроме собственно выделения памяти никаких дополнительных действий.

Функции операционной системы Windows - LocalAlloc и GlobalAlloc - считаются устаревшими, хотя и поддерживаются в целях совместимости. Современным приложениям рекомендуется пользоваться HeapAlloc, а также VirtualAlloc, которая, помимо выделения памяти, поддерживает операцию резервирования памяти и выделения зарезервированной памяти.

Соответственно, средства освобождения памяти следующие.

Оператор delete освобождает занятый приложением блок, но перед этим вызывает деструктор объекта, если переменная объектного типа. Ничего, кроме параметра, содержащего адрес удаляемого блока, передавать не надо.

Функция free () освобождает выделенный с помощью malloc () блок. Следует передать адрес блока.

В языке C++ имеются средства создания динамических структур данных, которые позволяют во время выполнения программы образовывать объекты, выделять для них память, освобождать память, когда в них исчезает необходимость.

Если до начала работы с данными невозможно определить, сколько памяти потребуется для их хранения, память следует распределять во время выполнения программы по мере необходимости отдельными блоками. Блоки связываются друг с другом с помощью указателей. Такой способ организации данных называется динамической структурой данных, поскольку она размещается в динамической памяти и ее размер изменяется во время выполнения программы.

 

Динамические структуры данных – это структуры данных, память под которые выделяется и освобождается по мере необходимости.

Динамические структуры данных в процессе существования в памяти могут изменять не только число составляющих их элементов, но и характер связей между элементами. При этом не учитывается изменение содержимого самих элементов данных. Такая особенность динамических структур, как непостоянство их размера и характера отношений между элементами, приводит к тому, что на этапе создания машинного кода программа-компилятор не может выделить для всей структуры в целом участок памяти фиксированного размера, а также не может сопоставить с отдельными компонентами структуры конкретные адреса. Для решения проблемы адресации динамических структур данных используется метод, называемый динамическим распределением памяти, то есть память под отдельные элементы выделяется в момент, когда они "начинают существовать" в процессе выполнения программы, а не во время компиляции. Компилятор в этом случае выделяет фиксированный объем памяти для хранения адреса динамически размещаемого элемента, а не самого элемента.

 

Необходимость в динамических структурах данных обычно возникает в следующих случаях.

• Используются переменные, имеющие довольно большой размер (например, массивы большой размерности), необходимые в одних частях программы и совершенно не нужные в других.
• В процессе работы программы нужен массив, список или иная структура, размер которой изменяется в широких пределах и трудно предсказуем.
• Когда размер данных, обрабатываемых в программе, превышает объем сегмента данных.

Поскольку элементы динамической структуры располагаются по непредсказуемым адресам памяти, адрес элемента такой структуры не может быть вычислен из адреса начального или предыдущего элемента. Для установления связи между элементами динамической структуры используются указатели, через которые устанавливаются явные связи между элементами. Такое представление данных в памяти называется связным.

Достоинства связного представления данных – в возможности обеспечения значительной изменчивости структур:

• размер структуры ограничивается только доступным объемом машинной памяти;
• при изменении логической последовательности элементов структуры требуется не перемещение данных в памяти, а только коррекция указателей;
• большая гибкость структуры.

Вместе с тем, связное представление не лишено и недостатков, основными из которых являются следующие:

• на поля, содержащие указатели для связывания элементов друг с другом, расходуется дополнительная память;
• доступ к элементам связной структуры может быть менее эффективным по времени.

Порядок работы с динамическими структурами данных следующий:

1. создать (отвести место в динамической памяти);
2. работать при помощи указателя;
3. удалить (освободить занятое структурой место).

Динамические структуры широко применяют и для более эффективной работы с данными, размер которых известен, особенно для решения задач сортировки.

Одним из видов динамической структуры является – список.